核桃滾筒催化紅外—熱風干燥試驗及能耗分析

曲文娟 凡 威 馬海樂 師俊玲 潘忠禮

(1.江蘇大學食品物理加工研究院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；3.西北工業大學生命學院，陜西 西安 710072；4.美國加州大學戴維斯分校生物與農業工程系，美國 加州 95616)

核桃為胡桃科胡桃屬植物，其果仁富含蛋白質和不飽和脂肪酸，營養、保健以及經濟價值較高[1-2]。干燥處理是核桃安全貯藏和延長貨架期最常見的加工方式之一。目前核桃的干燥方式主要為熱風干燥，干燥速率低、時間長、能耗高，嚴重制約了核桃干果質量和產業的發展[3-4]。

近年來國際上出現了一種新型干燥方法——催化式紅外輻射干燥。催化式紅外輻射干燥[5-6]以天然氣作為能源，利用紅外加熱器發射出的紅外線照射到被加熱物料上，無需加熱介質，物料中的水分直接吸收紅外輻射能量，從而使物料內部溫度快速升高，實現物料快速脫水干燥的目的。相較于目前出現的如熱風、射頻、微波、電紅外等干燥技術，催化紅外干燥能夠顯著縮短干燥時長，并且催化紅外干燥是由天然氣在催化劑的作用下反應產生熱能，與上述電轉化為熱能的干燥技術相比，熱能轉化率更高，更節能[7-8]。一些研究[9-11]也表明，催化紅外干燥或者紅外熱風聯合干燥不僅增加了能量利用效率，同時獲得更高的產品質量，如較高的營養保留率、更好的顏色以及復水性能等。Nowak等[9]對蘋果片干燥研究得出，紅外干燥比熱風干燥縮短了50%的干燥時間。Sakai等[10]對胡蘿卜干燥得出紅外干燥具有較低的維生素、β-胡蘿卜素和風味物質損失。Gabel等[11]對紅外干燥和熱風干燥洋蔥片進行比較研究得出，紅外干燥比熱風干燥得到的洋蔥片具有更好的顏色和風味物質保留。

催化紅外輻射干燥可以對物料進行快速加熱，使得物料在短時間內失去大量水分，但干燥時間過長易導致表層褐變[12-13]，產品品質下降。目前使用的紅外裝備都是建立在靜態加工[14]基礎上，而且存在溫度不均勻[15]、電轉化為紅外輻射能(電紅外輻射)的轉化率低[15]、裝備結構設計不科學[16]，以及干燥效率和產品品質無法兼顧[17]等問題。如果設計一臺滾動式紅外裝備是可以解決上述問題的，但目前未見有任何滾動式催化紅外加工設備及相關干燥技術的研究報道，亟需判斷此法的可行性。研究擬將滾筒催化紅外與熱風干燥聯合應用于新鮮核桃的干燥，并探討不同干燥條件和方式對干燥效果、產品品質和能耗的影響，以期為干果干燥產業的發展提供一種更為高效節能的手段。

1 材料與方法

1.1 試驗原料與試劑

新鮮帶青皮核桃：清香，于9月份成熟時采摘于陜西，于-20 ℃條件下貯藏備用。

1.2 主要儀器與設備

熱風干燥設備：由電源總開關、電源指示燈、電加熱開關、加熱器、風機開關、風速調檔按鈕、風機、氣體管道、干燥室(350 mm×400 mm×200 mm)、料盤、電器控制器、溫度傳感器、出風口組成，江蘇大學食品學院聯合泰州圣泰科紅外科技有限公司研制；

滾筒催化紅外干燥設備(見圖1)：江蘇大學食品學院聯合，鎮江美博紅外科技有限公司研制；

天平：BAS2202S型，德國Sartorius公司；

電監測儀：HP-9800 20A型，深圳市宏品電子科技有限公司；

電子秤：XMTZC05HM型，小米科技有限責任公司；

全自動色差儀：CR400型，日本柯尼卡美能達公司；

手持式紅外測溫儀：AT600+型，香港希瑪儀器儀表有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理 試驗前將新鮮核桃從冷藏室中取出，放至室溫(25 ℃)待用，除去外層青皮及表面雜質，清洗后于通風處瀝干表面水分，置于密封袋中備用。

1.3.2 滾筒催化式紅外—熱風干燥工藝優化 調節催化紅外輻射距離至設定值，調節催化紅外發生器溫度至設定值，調節滾筒轉速至設定值，然后將核桃倒入滾筒干燥室進行紅外干燥一段時間，隨后轉入熱風干燥(溫度43 ℃、風速3 m/s)一段時間至核桃達到安全水分8%即停止干燥。單因素試驗設計如下：

(1) 催化紅外輻射距離對干燥效果的影響：固定溫度450 ℃、滾筒轉速2.0 r/min，紅外輻射距離分別為25，30，35 cm，測定干基含水率下降率、表面溫度、表面顏色和開殼率。

(2) 催化紅外輻射溫度對干燥效果的影響：固定板距30 cm、滾筒轉速2.0 r/min，紅外輻射溫度分別為350，400，450，500 ℃，測定干基含水率下降率、表面溫度、表面顏色和開殼率。

(3) 滾筒轉速對干燥效果的影響：固定板距30 cm、溫度450 ℃，滾筒轉速分別為1.2，1.5，1.8，2.0，2.4 r/min，測定干基含水率下降率、表面溫度、表面顏色和開殼率。

1.3.3 不同干燥方法的對比 分別采用優化后的滾筒催化式紅外—熱風干燥工藝(紅外距離30 cm、紅外溫度450 ℃、滾筒轉速1.5 r/min、紅外干燥時間9.5 min、熱風溫度43 ℃、熱風風速3 m/s、熱風干燥時間16 h)和單一熱風干燥工藝(溫度43 ℃、風速3 m/s、干燥時間20 h)進行核桃干燥至安全水分達到8%以下，對二者的干燥時間、干燥曲線、干燥速率曲線和能耗進行對比分析。

1.3.4 表面溫度、開殼率和色澤的測定

(1) 表面溫度：采用手持式紅外測溫儀測定核桃上下左右4個位點的表面溫度，取平均值。

(2) 開殼率：以核桃樣本中開殼核桃個數所占的百分比表示。

(3) 色澤：采用全自動色差儀測定核桃上下左右4個位點的色度值L、a、b[18]，取平均值，按式(1)計算色差ΔE。

(1)

式中：

L0、a0、b0——干燥前樣品的初始值；

L、a、b——干燥后樣品的終點值。

ΔE值越大，代表干燥核桃制品的顏色與新鮮核桃的顏色差別越大。

1.3.5 干基含水率、干基含水率下降率和干燥速率的測定 干基含水率、干基含水率下降率、干燥速率分別按式(2)～式(4)計算[19-20]：

(2)

(3)

(4)

式中：

Mt——干燥t時樣品的干基含水率，g/g；

Gt——干燥t時樣品的質量，g；

Gd——樣品的干重，g；

MR——干基含水率下降率，%；

Mi——干燥前樣品的初始干基含水率，g/g；

DR——干燥速率，g/(g·min)；

t1、t2——干燥時間，min；

Mt1、Mt2——干燥t1、t2時樣品的干基含水率，g/g。

1.3.6 能耗的計算 參照文獻[21]。采用電監測儀對每次試驗的電耗記錄(kW·h)，采用電子秤對每次試驗的液化氣消耗量稱重(kg)。干燥能耗以干燥單位質量(1 kg)核桃的能耗計算，單位為kJ/kg。

1.3.7 數據統計分析 所有試驗均做3個平行試驗，所有數據均以“平均值±標準偏差”的形式表示，采用Origin軟件畫圖。利用SPSS 17.0軟件對試驗數據進行顯著性分析，采取Duncan檢驗，當P<0.05時，代表數據之間存在顯著性差異。

2 結果與討論

2.1 催化紅外輻射距離對核桃預干燥效果和品質的影響

考察不同紅外輻射距離對核桃預干燥效果的影響，試驗結果見圖2和表1。

表1 不同催化紅外輻射距離下樣品的表面溫度和開殼率Table 1 Surface temperatures and shell opening rates of samples under different catalytic infrared radiation distances

圖2(a)顯示核桃的干基含水率下降率隨催化紅外輻射距離的降低而增大，表明催化紅外輻射距離越近，脫水效果越好。這是因為隨著催化紅外輻射距離越近，核桃表面溫度越高，輻射距離25 cm時樣品表面溫度最高，接近70 ℃，因此催化紅外輻射距離25 cm下的脫水效果最好。吳本剛[16]的研究結論也證實，紅外輻射距離越近，干燥速率越大。

由圖2(b)可知，核桃的L、b和ΔE值均隨催化紅外輻射距離的減少而增大，而a值之間無顯著性差異(P>0.05)；在輻射距離25 cm時干制核桃整體顏色偏紅褐色，在距離30,35 cm時核桃顏色較好，呈亮的紅黃色，且核桃在25 cm時表殼出現了小褐斑和細紋。這是因為過高的表殼溫度使得表層多酚發生褐變產生了黑褐色，而且表層水分散發過快造成局部產生細微裂縫[1]，但并未造成核桃沿縱向軸裂開，開殼率為0%。因此為了保障核桃品質，催化紅外輻射距離不宜太近，綜合考慮干燥效果和核桃品質，推薦較優的催化紅外輻射距離為30 cm，此時樣品的脫水率較高，且呈較亮的紅黃色，因此將該板距用于后續的試驗中。

字母不同表示在P<0.05水平存在顯著性差異圖2 不同催化紅外輻射距離下樣品的含水率下降率和色度值Figure 2 Moisture content reduction rates and color values of samples under differentcatalytic infrared radiation distances

2.2 催化紅外溫度對核桃預干燥效果和品質的影響

考察不同紅外溫度對核桃預干燥效果的影響，試驗結果見圖3和表2。

表2 不同催化紅外輻射溫度條件下樣品的表面溫度和開殼情況Table 2 Surface temperatures and shell opening rates of samples under different catalytic infrared radiation temperatures

圖3(a)顯示，核桃的干基含水率下降率隨催化紅外輻射溫度的增加而增大。當催化紅外輻射溫度為500 ℃ 時，催化紅外預干燥階段去除了8.3%的水分；當催化紅外輻射溫度為350 ℃時催化紅外預干燥階段去除了7.0% 的水分。由此得出催化紅外輻射溫度越高，脫水效果越好。這是因為催化紅外輻射溫度越高，核桃表面溫度越高，因此脫水效果越好。姜苗[22]的研究結論也證實溫度對核桃的干燥強度、干燥速率和時間影響較大，溫度越高，干燥強度越大。

字母不同表示在P<0.05水平時存在顯著性差異圖3 不同催化紅外輻射溫度下樣品的含水率下降率和色度值Figure 3 Moisture content reduction rates and color values of samples under differentcatalytic infrared radiation temperatures

由圖3(b)可知，核桃的L、a、b和ΔE值均隨催化紅外輻射溫度的增加而增大；500 ℃時整體顏色偏紅褐色，400，450 ℃時顏色較好呈較亮的紅黃色，350 ℃時顏色偏暗黃色，且核桃在500 ℃時表殼出現了小褐斑和細紋，這是由高溫造成的[1]，但是開殼率為0%。朱德泉等[1]也證實溫度過高極易導致核桃外殼及果仁變為黑褐色甚至焦黑色，質量大大下降。因此為了保障核桃品質，催化紅外輻射溫度不宜太高，綜合考慮干燥效果和核桃品質，推薦較優的催化紅外輻射溫度為450 ℃，此時樣品的脫水率較高，且品質較好，未發生褐變和開殼現象，并將該板溫用于后續的試驗中。

2.3 滾筒轉速對核桃預干燥效果和品質的影響

考察不同滾筒轉速對核桃預干燥效果的影響，試驗結果見圖4和表3。

表3 不同滾筒轉速條件下樣品的表面溫度、催化紅外輻射時間和開殼率Table 3 Surface temperatures,catalytic infrared radiation times and shell opening rates of samples under different drum rotation speeds

圖4(a)顯示了滾筒轉速越低，樣品的含水率下降率越大，脫水效果越好。這是因為滾筒轉速越低，催化紅外輻射時間越長，核桃表面溫度越高，因此脫水效果越好。當滾筒轉速為1.2 r/min時，催化紅外預處理階段的時間為11.01 min，含水率下降率達到最高，去除了11.8%的水分；當滾筒轉速為1.8 r/min時，催化紅外預處理時間為7.75 min，去除了9.1%的水分；當滾筒轉速為2.4 r/min時，催化紅外預處理時間為6.20 min，去除了6.1%的水分，發現脫水率數據之間存在顯著性差異(P<0.05)，由此得出，較低的滾筒轉速更有利于提高脫水效果。

由圖4(b)可知，核桃的L、b和ΔE值均隨滾筒轉速的降低而增大，干制核桃顏色越深。在轉速1.2 r/min時干制核桃整體顏色偏紅褐色，在1.5,1.8,2.0 r/min時呈較亮的紅黃色，在2.4 r/min時核桃顏色偏暗黃色，而且在1.2 r/min時表殼出現了褐斑和較多細紋，且產生了裂殼現象，開殼率為50.0%。因此為了保障核桃品質，滾筒轉速不宜過低，綜合考慮干燥效果和核桃品質，推薦較優的滾筒轉速為1.5 r/min，此時樣品的脫水率較高，且品質良好，未發生褐變和開殼現象。

字母不同表示在P<0.05水平時存在顯著性差異圖4 不同滾筒轉速條件下樣品的含水率下降率和色度值Figure 4 Moisture content reduction rates and color values of samples under different drum rotation speeds

綜上所述，滾筒催化紅外干燥參數——溫度、距離和滾筒轉速均對干燥效果和產品品質有顯著影響。其最優工藝參數為：溫度450 ℃、距離30 cm、滾筒轉速1.5 r/min、處理時間9.5 min。在此條件下，滾筒催化紅外預干燥去除了10.7%的表殼水分，且干制核桃無褐變和開殼現象，呈較好的亮紅黃色。在上述滾筒催化紅外預干燥工藝參數下，雖然核桃表殼溫度達到69～70 ℃，但是核仁溫度僅為45～47 ℃，且處理時間短(為9.5 min)，隨后立即轉入低溫(43 ℃)下進行熱風干燥，因此整個滾筒催化紅外—熱風干燥過程均是在低溫下(50 ℃ 以下)進行的，是可以避免核仁內脂肪發生氧化，保障產品品質。

2.4 不同干燥方式的對比

采用最優的滾筒催化紅外—熱風干燥工藝條件與單一熱風干燥工藝進行對比試驗，試驗結果見圖5和表4。

表4 兩種干燥方式的干燥時間、開殼率和單位質量干燥能耗Table 4 Drying times,shell opening rates and energy consumptions per unit kilogram volume of two drying methods

由圖5可知，核桃在兩種工藝干燥過程中均呈現兩個階段——加速干燥階段和降速干燥階段，與張波[23]對核桃干燥曲線研究的結論一致。在相對較高的初始含水率階段，核桃原料的含水率在較短的干燥時間內呈線性下降，這是干燥過程的第一個階段，常常被認為是熱轉移限制階段。這一干燥階段，初始含水量較高的原料可在高溫下快速脫水，因此在此階段加入催化紅外預干燥處理可以快速提高物料溫度，盡快排出核桃外殼中的水分，提高干燥速率，縮短干燥時間。與單一熱風干燥相比，滾筒催化紅外—熱風干燥的第一階段的干燥速率更高。隨著干燥時間的繼續增加，干燥速率逐漸變緩慢。降速干燥階段核桃內部的水分去除是一個質量轉移限制過程，應該根據含水率變化適當減少能量，最大限度地減少核桃的過度干燥和保護產品品質，因此這一階段采用較低溫度的熱風干燥效果更好[22]。由圖5(b)可知，滾筒催化紅外—熱風干燥的后期干燥速率趨同于單一熱風干燥，因此試驗采取的先滾筒催化紅外預干燥再進行低溫熱風干燥的順序是正確的，在提高脫水速率和縮短干燥時間的同時保障了產品品質。張波[23]在射頻熱風聯合干燥核桃的研究中也有相似的結論：聯合干燥方式顯著優于單一干燥方式，提高了干燥速率。

圖5 兩種干燥方式的核桃干燥曲線和干燥速率曲線Figure 5 Drying curves and drying rate curves of walnut of two drying methods

由表4可知，兩種方式干燥的核桃樣品均未出現開殼和褐變現象，產品品質好且呈較亮的紅黃色。與單一熱風干燥相比，滾筒催化紅外—熱風干燥的干燥時間縮短了19.2%，能耗降低了11.6%。這是因為滾筒催化紅外—熱風干燥的滾筒催化紅外預干燥處理顯著提高了快速干燥階段的干燥速率，排出了大部分的表殼水分，減少了干燥總時間，與Atungulu等[24]的研究結論相一致。由此得出在保障產品品質的前提下，滾筒催化紅外—熱風干燥比單一熱風干燥更高效，既縮短了干燥時間，又節約了能耗。

3 結論

針對硬殼堅果熱風干燥存在的加工時間長、能耗大的問題，在研制的滾筒式催化紅外設備基礎上開展催化紅外—熱風聯合干燥技術研究。催化紅外干燥階段(溫度450 ℃、距離30 cm、滾筒轉速1.5 r/min、處理時間9.5 min)預先去除了10.7%的表殼水分，隨后轉入熱風干燥(溫度43 ℃、風速3 m/s、處理時間16 h)，與傳統熱風干燥(20 h)相比，干燥時間縮短了19.2%，能耗降低了11.6%，且干制品無褐變和開殼現象，品質較好。滾筒催化紅外—熱風干燥技術是一種適用于硬殼堅果類產品干燥的新型高效節能技術，具有明顯的高效節能優勢，具有廣闊的應用前景和工業化推廣價值。后續將對干燥前后核桃仁的營養品質進行深入分析，以進一步提高產品品質。